Суперкомпьютерная разработка лекарств

25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 1

Суперкомпьютерная разработка лекарствСуперкомпьютерная разработка лекарств

Владимир Борисович Сулимов Научно-Исследовательский Вычислительный

Центр МГУ


Для многих болезней известны белки-мишени, блокирование Для многих болезней известны белки-мишени, блокирование работы которых останавливает болезнь работы которых останавливает болезнь

Ингибитор

Активный Центр Белка-Мишени

Белок

Поиск ингибиторов для активного центра нужного белка


Стадии разработки Стадии разработки нового лекарстванового лекарства

Разработка базового соединенияLead compound

Доклинические испытания базового соединения на животных

Клинические испытания на людях

Ключевой Ключевой Самый дешевый этап

10-15 лет $ 500 000 000

Начальный этап


WATER SOLVENT

белок: тысячи атомов

docking

Слабые межмолекулярныевзаимодействия

Scoring – правильная оценка энергии связывания белок-лиганд

Ключевая программа для дизайна лекарств: программа докинга SOL

лиганды: Десятки атомов

Нужна высокая точность:~ 1 kcal/mol ~ 0.05 eV

Связывание происходит в воде

Взаимодействие лиганда с водой

Взаимодействие Лиганда с белком

Взаимодействие белка с водой

Docking – позиционирование лиганда в активном центре белка

Десятки тысяч лигандов


Докинг: безусловный поиск глобального минимума Докинг: безусловный поиск глобального минимума энергииэнергии

Оригинальная программа докинга Оригинальная программа докинга SOLSOL

Взаимодействие лиганда со всеми атомами белка записывается в виденабора сеток потенциалов в кубе:22 Х 22 Х 22 Ангстрема

1 лиганд 1 CPU: 1-10 часов

Пространство ≤ 21 измерений


Положение молекулы лекарства-антикоагулянта (аргатробана) в активном центре тромбина

- Экспериментальные положения атомов

- Положения атомов молекулы после докинга

Высокая точность докинга:RMSD = 1.5 Å


ВакциныВакцины

• Традиционный способ создания вакцин:– Живые вакцины– Аттенюированые вакцины– Убитые вакцины

• Вакцины, содержащие фрагменты возбудителя – методы генной инженерии

• Синтетические вакцины – получение методами органического синтеза


Основные этапы технологии создания Основные этапы технологии создания синтетической вакцинысинтетической вакцины

1. секвенирование генома возбудителя

2. рациональный компьютерный дизайн вакцины

3. наработка вакцины


Связывание 9-аминокислотного эпитопа на поверхности белка главного комплекса гистосовместимости 1 класса (гаплотип HLA-A2)

Презентация эпитопа белком главного комплекса гистосовместимости (MHC) рецептору на поверхности CD8+ T-лимфоцита (TCR).

Предсказание связывания олигопептидных эпитопов с белками главного комплекса гистосовместимости на основе докинга – путь к рациональному компьютерному дизайну вакцин. В том числе вакцин против рака.

эпитоп

Применение докинга для дизайна синтетических вакцин - инновация


Программа докинга Программа докинга ASTRAASTRA: концы : концы олигопептида при докинге закрепленыолигопептида при докинге закреплены

Позиционирование и оценка энергии связыванияолигопептидных эпитопов,содержащих > 30 внутренних вращающихся связей

Обычные программы Докинга могут позиционировать лиганды,содержащие < 15 внутренних вращающихся связей

Условный поиск глобального минимума: условия типа равенств


Правильная 3х-мерная структура молекул-Правильная 3х-мерная структура молекул-лигандов – основа успеха поиска ингибиторовлигандов – основа успеха поиска ингибиторов

• До того, как новое соединение синтезировано, невозможно экспериментально определить его 3х-мерную структуру

• Единственный способ a priori определить структуру молекулы - квантовохимический расчет с учетом электронных корреляций

• Высокая точность расчета энергии молекулы ≈ 1 ккал/моль

• Структура молекул правильно рассчитываются только методами квантовой механики (химии)

• Вывод: конструировать лекарства надо с использованием методов квантовой механики (химии)


Применяемые инновацииПрименяемые инновации

Отработана методика расчета энергии хелатирования, которая определяет энергию связи ингибиторов с интегразой ВИЧ


Применяемые инновацииПрименяемые инновации

Расчет конформеров ингибиторов с помощью квантовой химии: расчет энергий конформеров – какой конформер более энергетически выгоден

Не всякий нарисованный лиганд будучи синтезирован находится в нужной для хелатирования конфигурации.

При выборе кандидатов для синтеза принимается во внимание большой объем точных квантово-химических расчетов высокой точности

Используются программы:MOLPRO (UK)PRIRODA(НИВЦ)


Квантовая Химия – Квантовая МеханикаКвантовая Химия – Квантовая Механика• Основной инструмент молекулярного моделирования• Один из самых ресурсоемких вычислительных

инструментов– Требует много памяти – RAM– Требует много быстрой дисковой памяти – десятки гигабайт– Линейное масштабирование по числу CPU только до

нескольких десятков CPU

• Точность вычислений ab initio– 1 kcal/mol ≈ 0.04 эВ• Главный вызов науки о материалах, о

наноматериалах, разработки лекарств – квантовая химия для молекулярных систем в сотни и тысячи атомов


Квантовая ХимияКвантовая Химия

• PRIRODA – создатель Дмитрий Лайков– Большинство современных методов– Оригинальный способ распараллеливания: почти линейное

масштабирование до N/2, где N – число электронов – Более 400 ссылок российских и зарубежных научных

публикаций– Установлена на суперкомпьютере Чебышёв

• CIRIN – квантовохимическая программа, ведущий разработчик А.В.Николаев: реализация программы квантовой химии на ПЛИС (совместно с г.Таганрог)


Команда разработчиков ингибиторов тромбинаКоманда разработчиков ингибиторов тромбина

• Научно-Исследовательский Вычислительный Центр МГУ имени М.В.Ломоносова – молекулярные дизайнеры, применение суперкомпьютеров

• Институт Органической Химии имени Н.Д.Зелинского РАН, Москва – синтез новых органических соединений

• Гематологический Научный Центр РАМН, Москва – измерение ингибирующей активности новых соединений, биофизики, биохимики

• В.Б.Сулимов, А.Н.Романов, О.А.Кондакова, Е.И.Синауридзе, А.А.Бутылин, И.В.Грибкова, А.С.Горбатенко, А.А.Боголюбов, И.Ю.Титов, Е.В.Полунин, Ю.В.Кузнецов, И.В.Тайдаков, Вл.В.Воеводин, С.И.Соболев, Ф.И.Атауллаханов

Приглашенный доклад на конгрессе IDDST: International Drug Discovery Science and Technology 7-13 ноября 2007, Xi’an, China


Травмы, отравления, болезни: Травмы, отравления, болезни: переливание кровипереливание крови

Риск тромбоза – образования

тромбов в крови

Капельница - промывание

крови, введение различных растворов.


Найти новый ингибиторНайти новый ингибитор тромбина!тромбина!– Начало работ: ноябрь 2005

– Непрерывно ≈ 20 CPU лучшего кластера НИВЦ МГУ

– Распределенные вычисления: • Рождество 2006 – 12 дней: Москва-Челябинск 273 CPU

2123 лигандов по 5 мишеням• Фестиваль науки МГУ 2006 - 5 дней:

Москва-Челябинск-Уфа-Дубна 18401840 молекул 600

CPU

• Троица 2007 – 5 дней: Томск, Cyberia

1500 молекул 1120 CPU

2008 2008 год Скиф-МГУ «Чебышёв, 60 год Скиф-МГУ «Чебышёв, 60 TFlopsTFlops

– Август 2008, Август 2008, 24000 лигандов за 4 дня на 1000 ядрах24000 лигандов за 4 дня на 1000 ядрах


КонвейернаяКонвейерная разработка разработка основы лекарства основы лекарства (lead compound)(lead compound)::

Дизайн ингибиторов с помощью молекулярного моделирования

Синтез ингибиторов

Измерения активности ингибиторов IC50 in vitro

Измерение ингибирования репликации ВИЧ в культуре клеток

Измерение острой токсичности LD50 на мышах


Открыт и запатентован новый класс прямых Открыт и запатентован новый класс прямых ингибиторов тромбина – основа нового лекарства ингибиторов тромбина – основа нового лекарства

от тромбозаот тромбоза

На разработку понадобилось около 1,5 лет THROMBINTHROMBIN

Ингибирующая активность

новых ингибиторов

IC50=2 наноМоля значительно выше, чем у аргатробана

IC50=125 наноМолей

На рисунке показано положение 4-х новых ингибиторов в активном центре тромбина


Экономия затрат на разработку:Экономия затрат на разработку:

– При экспериментальном поиске пришлось бы синтезировать 6000 новых соединений – кандидатов

– В настоящей работе новый класс ингибиторов был открыт после синтеза 20-ого соединения!

– При экспериментальном переборе всех 6000 кандидатов только на синтез 6000 новых соединений потребовалось бы минимум $6 000 000.

– В настоящей разработке затраты на синтез составили около $ 20 000


Применение суперкомпьютеров для Применение суперкомпьютеров для разработки новых лекарств:разработки новых лекарств:

• Повышает эффективность разработки– Ускоряет стадию разработки lead compound’а– Существенно удешевляет разработку– Повышает разнообразие молекул-кандидатов

в lead compound’ы• Создает основу для регулярной конвейерной

разработки новых лекарств против различных болезней

• Обеспечивает лекарственную безопасность России

• Может привести к существенному удешевлению лекарств


The EndThe End

• …Surely every medicine is an innovation; and he that will not apply new remedies, must expect new evils…

• …Каждое лекарство есть инновация; а кто не хочет применять новые средства, должен ждать новых бед…

Francis Bacon

(1561-1626) OF INNOVATIONS

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/65/Francis_Bacon.jpg


Актуальность поиска новых ингибиторов Актуальность поиска новых ингибиторов тромбина (постановка задачи)тромбина (постановка задачи)

• Тромбин – основной фермент системы свертывания крови, превращающий растворимый белок плазмы фибриноген в нерастворимый фибриновый сгусток

• Чрезмерное образование тромбина приводит к тромбозам

• Для предупреждения тромбозов в клинике в настоящее время используют только гепарин

• Гепарин (Heparin) ускоряет действие природного ингибитора тромбина ATIII

• Гепарин → ATIII → Ингибирование тромбина


• При низкой концентрации ATIII введение гепарина не подавляет активность тромбина

• В некоторых важных случаях Гепарин не может быть использован (Heparin Induced Thrombocytopenia)

• При недостатке ATIII единственная возможность остановить работу избыточного тромбина – добавить в систему его прямой ингибитор.

• Сейчас существует только один прямой низкомолекулярный синтетический ингибитор тромбина, аргатробан – разрешен к применению в США, Японии, Германии, Франции и др.

Аргатробан:Аргатробан: IC50 = 125 наномолей


Алгоритм разработкиАлгоритм разработки

Докинг молекул из баз данных доступных соединений (синтезированы, их можно купить или

заказать бесплатно)


Действие лекарства Действие лекарства

Болезнь

Блокировка работы

активного центра

Белок

Активный Центр Белка

Белок Человека Белок Вируса

Органическая

молекула -

ингибитор


Оригинальная программа докинга Оригинальная программа докинга SOLSOL

Позиционирование лиганда в активном центре заданного белка-мишени:

– Поиск глобального минимума на многомерной поверхности энергии лиганд-белок

– Силовое поле MMFF94 – набор потенциалов: атомы – классические частицы (молекулярная механика)

– Активный центр белка в виде набора сеток различных потенциалов – жесткий белок

– Учет десольватации: подсчет баланса взаимодействий: лиганда с растворителем, белка с растворителем, комплекса белок-лиганд с растворителем

– Гибкий лиганд и учет его внутренних напряжений

– Изменение числа вращательных степеней свободы лиганда при связывании


Рациональный дизайн вакциныРациональный дизайн вакциныОснова иммунного ответа: способность организма распознавать чужеродныебелки

Чужеродный белок в организме(в дендридных клетках) нарезается на олигопептидынарезается на олигопептиды(эпитопы)(эпитопы)из 8-10 аминокислотных остатковиз 8-10 аминокислотных остатков

Эпитопы связываются с белкамиГлавного Комплекса Гистосовместимости – Major Histocompatibility Complex (MHC)

Эпитопы, наиболее сильно связывающиеся с белками MHC – кандидаты в вакцины


Программа «Астра» позиционирует пептид (9 аминокислот) в активный центр белка MHC иоценивает скоринг-функцию (энергию связывания) пептида сбелком MHC

Создание синтетической вакцины против рака на основе белка BORIS

Есть:Есть: 1. 3D структура белка

главного комплекса гистосовместимости (из рентгено-структурных данных)

2. первичная последовательность белка BORIS.


Поиск глобального минимума энергии с условиями типа равенствПоиск глобального минимума энергии с условиями типа равенств

Задача разбивается на две подзадачи:

1) Определение конформации основной цепи с двумя закрепленными концами путем торсионных вращений вокруг химических связей.

2) Определение конформацийбоковых цепей с одним закрепленных концом путем торсионных вращений вокруг химических связей.


ClotClot - Тромб - Тромб

тромбоциты

эритроциты


X

Xa

VII

Fibrinogen Fibrin

Prothrombin Thrombin

Prothrombinase

Va V

TF-VIIa

TF

VIIa


Scheme of the substrate hydrolysis by Scheme of the substrate hydrolysis by thrombinthrombin

АМС

АМС

Thrombin

Fluorogenic substrate

Fluorescent product (AMC)


0 4 8 12 16

0,04

0,08

0,12

0,16

0,20

D450 n

M, o

pti

c u

nit

s

Time, min

Inhibitor HC-019s-IOCconcentration:

0 2.5 nM 25 nM

0 4 8 12 16

0,04

0,08

0,12

0,16

0,20

D450 n

M, o

pti

c u

nit

s

Time, min

Inhibitor HC-019s-IOCconcentration:

0 2.5 nM 25 nM

Присутствие ингибитора замедляетс Присутствие ингибитора замедляетс скорость гидролиза хромогенного скорость гидролиза хромогенного

субстрата тромбиномсубстрата тромбином

0 500 1000 1500 20000

20

40

60

80

100

IC50

=130 nM

Hyd

roly

sis

in

hib

itio

n,

%[HC-018s-IOC], nM

0 500 1000 1500 20000

20

40

60

80

100

IC50

=130 nM

Hyd

roly

sis

in

hib

itio

n,

%[HC-018s-IOC], nM


Коррекция гемодилюционной гиперкоагуляции путем Коррекция гемодилюционной гиперкоагуляции путем введения в ПЗР низкомолекулярного ингибитора введения в ПЗР низкомолекулярного ингибитора

тромбина НС-025тромбина НС-025s-IOCs-IOC

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.00

50

100

150

200

250

300

3501

2

34

ЭТ

П (

60')

, %

Степень разбавления плазмы, раз

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.00

50

100

150

200

250

300

3501

2

34

ЭТ

П (

60')

, %

Степень разбавления плазмы, раз

Концентрация низкомолекулярного ингибитора тромбина в физиологическом растворе:

1 – 0

2 – 0.25 мкМ

3 – 0.5 мкМ

4 – 1.0 мкМ


Изменение ЭТП в плазме крыс после кровопотери и Изменение ЭТП в плазме крыс после кровопотери и переливания им стандартного физиологического переливания им стандартного физиологического раствора или раствора с добавлением ингибитора раствора или раствора с добавлением ингибитора

тромбинатромбина

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

NaCl NaCl + ингибитор 19s

Изм

енен

ие

ЭТ

П,

в %

от

исх

од

но

гоВремя послепереливания:

2 мин 10 мин 30 мин 60 мин

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

NaCl NaCl + ингибитор 19s

Изм

енен

ие

ЭТ

П,

в %

от

исх

од

но

гоВремя послепереливания:

2 мин 10 мин 30 мин 60 мин


Зачем нужно суперкомпьютерное Зачем нужно суперкомпьютерное молекулярное моделирование?молекулярное моделирование?

• Начальная стадия разработки новых лекарств

• Разработка новых материалов с заданными свойствами

• Моделирование для нанотехнологий


Рост тромба

Суперкомпьютерная разработка лекарств

Documents